大型電站鍋爐大板梁疊合面連接設計探討

1、大型電站鍋爐大板梁疊合面連接設計探討馬煒言王慶祥摘要：本文分析了目前大板梁疊合面連接設計和施工中存在的問題，提出了疊合面設計采用開大圓孔、栓焊并用、選用大直徑螺栓、采取合理的施工工藝等建議，在不大量增加螺栓和鋼結構重量前題下，為提高了疊合面的連接強度和大板梁整體的可靠度，提供了新思路，值得行業(yè)內(nèi)深入探討，以進一步改進大板梁疊合面的設計。關鍵詞：大板梁疊合面高強螺栓標準孔大圓孔栓焊并用界面滑移滑移量1 前言大板梁是鍋爐鋼結構最重要的受力構件，某600MW“W”火焰鍋爐大板梁長38.2m、寬1.5m、高6.0m，重180t，每根梁需承受荷載約3200t。由于受運輸和吊裝條件的限制，大板梁需分成上、

2、下兩層，即由上、下兩根工字形截面的梁組成疊梁，上、下梁分別制造、運輸，在現(xiàn)場地面或高空組裝，由高強螺栓連接，形成疊合式整體梁。每根疊梁疊合面的連接螺栓有12001500套之多，如何保證連接螺栓穿孔率、使疊合面高強螺栓能有效地將上下梁連成一個整體，是疊梁設計關鍵和技術難點。2大板梁疊合面連接設計存在的問題目前鍋爐行業(yè)內(nèi)對大板梁疊合面的連接設計和施工，沒有統(tǒng)一的規(guī)定，各單位設計和施工方法差別拫大，結合從現(xiàn)場反饋的大板梁制造安裝實際情況，我們認為目前大板梁疊合面連接設計，主要存在以下幾方面的問題：2.1 疊合面相對滑移，施工方法不當，造成大量螺栓孔錯位。2.1.1大板梁疊合面連接螺栓數(shù)量巨大，制孔和

3、安裝過程中孔的定位要求很高。梁高接近3米的上、下梁疊合時，由于自重的影響界面的將會產(chǎn)生相對滑移，并引起上下疊合面孔位的偏離，這是疊梁設計和施工中不可忽視的問題。如圖1所示，由于界面上下兩塊疊合板，分屬于下梁的上翼緣和上梁的下翼緣，在自重的作用下，這兩塊疊合板將分別向內(nèi)、外滑移，兩個滑移量將互相疊加，按理論計算最大總滑移量可達3.5mm。圖1疊合面界面相對滑移示意圖2.1.2生產(chǎn)制造廠若缺乏利用反向起拱等方法減少疊合面的相對滑移經(jīng)驗，或起拱方法不當?shù)?，疊合面相對滑移就會造成的上下疊合板大量螺栓孔不能吻合，如圖2所示，現(xiàn)場不得不大量擴孔，這種情況在工地現(xiàn)場時有發(fā)生。如某工程一根板梁疊合面共1500

4、個螺栓，有800多個螺栓孔錯位319mm，擴孔后仍有200多個螺栓傾斜，不能擰緊，造成使疊合面無法壓緊（圖3）的嚴重后果。圖2疊合面錯孔 圖3螺栓傾斜、疊合面無法壓緊2.2疊合面螺栓開孔采用標準孔，沒有考慮螺栓群連接的配合公差，增加了施工難度。如設計選用M22螺栓，開設24的標準孔，這是按照單個螺栓連接開孔要求開設的孔徑，沒有考慮大量螺栓群穿孔與單個螺栓的穿孔的差異，孔徑和孔間距均沒有留有配合公差和裕度，在安裝過程中由于界面相對滑移，加上制孔定位和鉆孔的誤差，往往造成大量錯孔，高空疊合時，不得不采用擴孔的方案，將孔沿板梁長向擴大，才能達到100穿孔率。由于在設計按照開標準孔來計算的，沒有考慮擴

5、大孔的孔型系數(shù)，現(xiàn)場大量無序擴孔，這對高強螺栓連接強度的影響是不言而喻的，現(xiàn)場擴孔實際上不同程度降低疊合面連接安全儲備。2.3大板梁疊合面采用高強度螺栓摩擦型連接，沒有采用栓焊并用的方案，設計安全裕度相對不足。長期以來，由于對栓焊并用時,高強螺栓和焊縫能否按理想狀態(tài)共同工作，以及施工順序、施工質(zhì)量對螺栓、焊縫正常工作的直接和間接影響等問題，沒有找到理論依據(jù)和相關的設計方法，一些單位仍按以往300MW鍋爐大板梁疊合面的設計經(jīng)驗，采用100%高強螺栓連接的方案。隨著鍋爐容量提高，大板梁荷載、跨度、高度增加、疊合面連接螺栓也隨之大幅度增加，螺栓制孔和穿孔難度也越來越大。因為施工安裝過程大量的擴孔、疊

6、合面壓不緊等原因，現(xiàn)場高強螺栓實際連接強度往往達不到設計的要求，如不考慮增設角焊縫補強，疊合面的連接強度將難以保證。2.4選用螺栓直徑偏小、螺栓數(shù)量較多，增加了制孔和穿孔難度。設計沿用老國標（1995版），選用M22螺栓，螺栓直徑相對較小，承載力較低，所用螺栓數(shù)量較多，新版鋼結構用扭剪型高強度螺栓連接副（GB/T36322008版）高強螺栓直徑擴大至M30，可選用M24、M27、M30等較大直徑螺栓，其承載能力明顯提高，螺栓和螺栓孔數(shù)量相應減少，施工難度也將有所下降。3大板梁疊合面連接設計改進意見鑒于大板梁的特殊重要性以及制造、安裝的現(xiàn)狀，按照美國高強螺栓規(guī)范和鋼結構高強度螺栓連接技術規(guī)程（J

7、GJ82征求意見稿）（以下簡稱規(guī)程）相應條款的設計計算方法，參考清華大學土木系大板梁結構有限無分析和計算方法研究報告提供的疊合面相對滑移等數(shù)據(jù)、借用行業(yè)內(nèi)一些廠家的栓焊并用的設計經(jīng)驗，我們認為大板梁的疊合面的連接設計應考慮作以下改進：3.1螺栓開孔由“標準孔”改為“大圓孔”方案我們的想法是與其讓工地現(xiàn)場大量擴孔，還不如在疊合面設計時，就留有余地、給施工安裝以一定的配合公差，即在設計時將上疊合板開孔由原來的標準孔改為孔徑較大的大圓孔（圖4），設計計算時按大圓孔來取制孔系數(shù)即取k20.85（原標準孔為k21.0），這樣做估計螺栓用量會增加1015，但螺栓孔的調(diào)節(jié)余量可由原來的2(3)mm增加到6(

8、7)mm，既解決了工地大量擴孔的問題，又保證了疊合面連接設計計算強度。圖4 疊合面開“大圓孔”方案示意圖3.2疊合面采用栓和焊并用的連接方法。按照規(guī)程5.6.3條采用高強螺栓和側焊縫并用的連接方案（圖5）?？紤]現(xiàn)場高空作業(yè)施工條件較差、工藝不穩(wěn)定等因素，設計計算時高強螺栓抗滑移承載力和焊縫抗剪承載力可暫時均按100考慮，這樣大大增加了連接的安全儲備。3.3高強螺栓按新國標選用，由M22改選較大直徑的M24、M27、M30螺栓。由表1可見，M30螺栓承載力是M22的1.87倍，采用大直徑螺栓代替M22螺栓，可以減少螺栓1050螺栓，螺栓孔數(shù)量也相應減少，相對降低了制造、安裝難度。圖5疊合面栓焊并

9、用示意圖表1不同規(guī)格高強螺栓比較表規(guī)格標準圓孔mm大圓孔mm預拉力kN承載力kN（百分比）M22242819068.4(100%)M24263022581.0(118%)M273035290104.4(153%)M303338355127.8(187%)注：1預拉力為10.9級一個螺栓的預拉力2表中承載力為一個10.9級強扭剪型高強螺栓摩擦系數(shù)為0.4時承載力3.4 設計人員應注重設計交底，協(xié)助工人員總結切實可行的疊梁制造安裝方案。3.4.1分層疊梁的梁在吊裝就位時，因承受自重產(chǎn)生變形，上下梁界面會產(chǎn)生相對滑移，由表2可看出，不同起拱量界面的相對滑移量是不同的，滑移量從跨中向兩端發(fā)展，梁兩端的

10、滑移量最大，可達3.5mm，梁正中為0。過大的滑移將導致上下梁螺栓孔無法吻合，給施工帶來困難。因此應讓施工人員明白，疊梁的生產(chǎn)工藝中必需充分考慮上下梁的相對滑移。表2不同起拱量界面總滑移量（mm）橫坐標m（至梁端距離）下梁起拱100下梁起拱80上下梁一致起拱0.952.79792.81193.49742.852.74112.75483.42644.752.59992.61293.24996.652.38372.39562.97968.552.11302.12362.641310.451.79211.80102.240112.351.42451.43161.780614.251.03971.04

11、991.299616.150.62400.62710.780018.050.20280.20380.253518.97000目前行業(yè)內(nèi)大板梁的制造工藝尚不統(tǒng)一，各制造廠按自已的經(jīng)驗采取了不同的加工工藝，有的廠家如圖6采用上下梁反向預起拱的方案，達到了減少滑移量的目的，但是采用此方案，上下梁之間的間隙較大，疊合面螺栓擰緊較困難，需要從梁兩端向跨中，再從跨中向兩端多次復擰螺栓，才有可能使上下疊合面緊貼。圖6 上下梁反向起拱有的廠家如圖7采用上下梁均向上起拱(上梁腹板下端平，上端預拱68mm；下梁腹板上端平，下端預拱56mm)上下單梁制作完成后，在兩端簡支時分別測量兩梁上拱度，并用火焰矯正法矯正拱度

12、達到標準上拱尺寸。采用此方案需將實測兩端簡支時的相關數(shù)據(jù)與理論計值對照，進行分析比較算，再用火焰熱校來調(diào)整。要求較高的制作工藝和較豐富的實踐經(jīng)驗。圖7 上下梁疊合面水平總之，制造廠必須認真對待疊合面的相對滑移問題，按理論計算和實際經(jīng)驗，采用合理的起拱方案和可靠的加工工藝，方可減小相對滑移量，使上下疊合面的螺栓孔位的盡可能的吻合，以確保螺栓穿孔率。3.4.2疊合面采用栓焊并用的連接方案后，應特別注意施工的順序，一般宜參照規(guī)程要求先高強螺栓緊固，此外，螺栓緊固次序和焊接的順序等操作步驟也需要在實踐中進一步探討。施工現(xiàn)場應隨時總結經(jīng)驗，找到最合理、最可靠的施工順序,以保證疊合面高強螺栓和焊縫的協(xié)同工作。4.小結按上述改進意見選用較大直徑螺栓、上梁疊合面改開大圓孔、采用疊合面加側焊縫和調(diào)整施工工藝等技術措，雖然增加了高強螺栓用量、增大了直徑、增加35t鋼材以及現(xiàn)場的焊接工程量，但能從根本上解決工地現(xiàn)場大量不規(guī)則擴孔的問題，增加了加疊合面連接強度和可靠度，確保疊梁的整體性，提高了疊梁的安全裕度。以上看法希望能得到業(yè)內(nèi)人員的共識，并進一步深入探討，以改進大板梁疊合面的設計。參考資